1  引言

    循环水泵是火力发电设备中的重要辅机之一，其功耗占主机容量的4％左右。由于冷却水流量是影响汽轮机真空度的主要因素，因而循环水泵的控制历来是火电厂中的一个重要问题。目前国内已投入运行的中等功率的火电机组大多采用节流调节方式，通过操作阀门实现冷却水水流量的调节，而对循环水泵采取定速控制[1]。这种调节方式控制粗糙，汽轮机的真空度不稳定，不能保证汽轮机在经济运行方式[2]下运行。另外，当在低负荷运行时，定速控制造成阀门两端压差很大，大量的能量消耗在阀门上，并且泵的运行效率也很低，长期运行导致火电厂的能耗十分严重。随着大功率机组的大量投入运行，各电网中的中等功率机组相继参入调峰运行，循环水泵大多数运行时间在变工况下工作。现在国家已经把火电厂的节能技术改造提高到了一个新的高度，并列入电力行业重点科技计划。因此，在能源资源日益紧张的今天，研究如何对循环水泵进行调速控制具有十分重要的社会价值和经济价值。
    本文通过分析汽轮机的经济运行原理，提出了一种新的先进的调速流量控制方案，采用plc、pid和变频技术对循环水泵进行调速控制，组成"汽轮机最有利真空循环水泵变频驱动plc控制系统"。该控制系统能够根据运行负荷的变化自动调节汽轮机循环水泵系统水泵的数量和转速，达到最有利真空的控制目的，从而改变了火电厂以往的状况，实现了汽轮机真空度的高精度控制和经济运行，且运行稳定，可靠性能高，节能效果显著。

2   汽轮机的经济运行方式与循环水泵流量的控制
2.1 汽轮机的最有利真空度

   目前汽轮机的真空度主要是靠调节冷却水流量来控制的。由汽轮机的运行原理可以知道，运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水水量。冷却水温一般取决于自然条件，于是在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水的流量来提高凝汽器的真空度，但是当冷却水水量增加使真空度提高的同时，循环泵的投资及运行电耗将大幅增加。为了提高机组运行的经济性，由于真空度提高汽轮机功率的增量△n1应大于为增加循环水量水泵所多消耗的功率△n2。显然，汽轮机的最有利真空peco(又称为经济真空)，应位于净增功率△n=△n1-△n2的最大值处[3]，此时汽轮机工作在经济运行方式[3]。如图1所示，dw为冷却水流量， p为汽轮机的凝汽器真空，δn为功率差值，δn在冷却水水量比较小的时候随冷却水量的增大而增加，到点a达到最大，如果再进一步增大冷却水水流量，δn反而开始减小，直至为零。但当到达c点时，汽轮机末级喷嘴的膨胀能力已达到极限，汽轮机功率不会再增加，故c点所对应的真空称为极限真空[4]。从图中可以看出， 由a点引等水量线与凝汽器压力线相交的b点所对应的真空值peco就是最有利真空，a点所对应的冷却水水量deco就是最佳冷却水水量。

图1   汽车机最有利真空确定

    因此，我们应经过计算分析确定出对汽轮机的最有利真空，并以此为依据来控制冷却水的流量，使汽轮机的排气压力尽量维持最有利真空位置，以保证机组在经济运行方式下工作。

2.2 最有利真空度的计算
由上述分析可以看出，改变循环水流量可以提高机组运行的经济性。但必须计算改变循环水量后的经济效益△n，确定在既定冷却水温度和蒸汽负荷的前提下汽轮机的最有利真空位置。在本文提出的控制方案中，利用工控机(ipc)调用各种参数数据，可以实时在线计算出汽轮机的最有利真空位置。为了便于在工程中应用，本文根据工程实际经验[3]，采用以下计算原则。
    (1) 根据循环水量增加以前的测试数据，计算出凝汽器的传热系数 和冷却水速修正系数φν1。
    (2) 根据循环水量增加以后的测试数据，计算出增加循环水量后的水速修正系数φν2。
由公式:
      (1)
求出增加循环水量后的传热系数k2。
    (3) 假设一个排汽压力pn，计算出传热等效平均温差△tm2。
由公式:
     (2)
    式中a为凝冷器换热面积， r2为凝汽器潜热。可以计算出循环水流量增加后汽轮机排汽量dn2。
如果dn2的值满足下式:
   (3)
    (式中dn1为循环水量增加前汽轮机的排汽量)则认为pn就是增加循环水量后的排汽压力。如果不满足上式，应重新设定排汽压力值进行计算，直至满足为止。
   (4) 根据排汽压力pn，计算出相对真空和提高的真空度。
   (5) 根据提高的真空度与标准煤耗的关系以及增加循环水流量后的电能耗费，就可以计算出循环水流量增加所带来的经济效益△n。
    (6) 按照以上步骤重复计算不同流量下增加的经济效益△n，由图1可以确定最有利真空的位置peco。
    由以上计算分析的原则，控制系统可以通过上位机(ipc)实时计算最有利真空的数值，由此作为依据(pid调节器的设定值)，来调节循环水泵的运行台数和运行转速，控制循环水流量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置，保证机组的经济运行。

2.3 循环水流量的调速控制方式原理
    图2所示曲线为转速n一定时水泵的扬程－流量(h-q)特性曲线和管阻特性曲线。 由图可知，当改变水泵的转速时，其q-h特性曲线随着转速的改变在图中是平行上下移动的(如从na降到na'时的虚线曲线所示)。
水泵的管阻特性曲线可用公式(4)表示:
(4)

图2   变频调速节能原理图解

    式中sf为管网阻力系数，hst为水泵进口到冷凝器的汽包的位差和压力差之和，它是个定值。sfq2为总的水阻力损失，它与流量的平方成正比。管阻特性曲线与h~q曲线的交点即为水泵运行的工况点[5]。
    当汽轮机的蒸汽负荷改变时，循环水泵的流量要随之变动(假设流量从qa降为qb)。有两种方法可以改变流量:一种是通过改变给水调节阀的开度(节流调节方式)，使管网阻力系数sf改变，从而改变管阻特性曲线，如图2所示，这时水泵运行的工况点变为b，对应的流量是qb，扬程是hb。另-种方法是通过改变水泵的转速，改变水泵的特性曲线，这时水泵运行的工况点为a'，转速由na降到na'，流量也为qb，而扬程为ha'。
    可以看出，与调速方式相比，调节阀门流量的控制方式中有hb－ha'的扬程浪费在管网中;当在低负荷等工况运行时，冷却水的流量由于只能靠调节阀门控制，造成阀门两端压差很大，很大的能量消耗在阀门上，长期运行能耗十分严重。并且当这个差值很大的时候，有可能导致管网破裂，造成重大经济损失。因而循环水泵采用调速运行，节能效果是很显著的。

3  汽轮机最有利真空度循环泵控制系统设计
3.1 系统的控制原理
    该系统主要由由3台水泵、1台变频器、ipc、plc、pid以及线性压力传感器等组成。
    工控机(ipc)作为上位机，主要负责火电厂的运行检测和监控，并在线计算最有利真空值，为控制循环水泵系统的经济运行提供重要参考数据。plc、pid调节器和压力传感器组成闭环反馈控制系统，用来控制循环冷却水流量。

3.2 循环水泵的调速控制
    由2.1和2.2的分析可知，最有利真空的实现是靠调节循环冷却水的流量。本文利用plc和pid设计了一个反馈控制系统，如图3所示。其中，plc控制着各台水泵的运行状态(工频、变频、停止)，从而控制水泵的运行台数，在大范围上控制循环水的流量;pid调节器控制变频器对变频泵进行速度调节，在小范围上控制循环水的流量，从而使汽轮机的真空度稳定的维持在最有利真空位置。

图3   控制系统主电路图

水泵的速度调节控制是汽轮机最有利真空控制系统的核心内容。系统采用交流变频调速技术[5]，利用变频器对循环水泵进行速度控制。控制原理如图3所示，采用“一变多定”的控制方式，并根据pid调节器输出电压信号驱动变频循环水泵。
    系统采用的rex-cd901 pid调节器，内嵌模糊控制技术和参数自整定技术，调节品质优良。它的输入设定值来自上位机根据蒸汽负荷和冷却水温度等参数计算出的最有利真空值，反馈值为由压力传感器检测的汽轮机的实际运行的真空值。根据设定值和反馈值，pid自动调整变频器的频率给定输入，从而控制变频器的输出电压，进而控制循环水泵的转速，实现循环水流量的稳定控制。

3.3 控制系统的硬件设计

图4   为控制系统的硬件设计示意图。
    系统选用的plc为siemens s7-200 cpu226，用来控制三台水泵的运行逻辑(加减泵、切换、热备、故障处理)，并检测系统的状态(电机运行方式、变频器频率上/下限、各种故障等)，实现系统的全自动运行。由此，系统可根据最有利真空的位置，实时调节循环水泵的冷却水流量，实现最有利真空经济运行。
此外，为了在故障或检修时保证循环水泵可靠运行和设备安全，该系统还具有自动/手动切换功能和指定运行功能。

3.4 plc程序设计
     plc控制程序主要完成循环水泵系统最有利真空经济运行的的所有逻辑控制功能。其实现的主要功能如下:
    (1) 实现3台循环水泵、变频器及其他设备的启、停程序控制;
    (2) 实现加减泵时的切换控制;
    (3) 实现热备功能;
    (4) 实现故障处理和声光报警;
    (5) 控制系统预留出和上位工控机通讯的端口，具有很好的扩展功能;
在编写程序时，将plc程序实现模块化。整个程序可分为五个模块:状态检测模块、运行逻辑运算块运算块、逻辑控制模块、热备模块、故障处理及显示模块。
    1) 状态检测模块
本模块程序的任务是检测控制系统状态，包括循环水泵的运行状态、频率上(下)限信号、各种故障、汽轮机的排气压力状况等，并将系统状态送入寄存器保存。为了防止干扰引起运行时误动作，程序对变频器的频率上限(下限)信号、压力状态等信号都进行数字滤波。
    2) 循环水泵运行逻辑运算块 
    运算块的作用就是根据系统的状态和循环水泵的当前运行状态和确定循环水泵的启停、切换以及运行方式(变频/工频)。其控制逻辑如图5所示。切换水泵时应遵循以下控制规则:

图5   运行逻辑原理图

     i. 当经过滤波后仍有压力下限信号，且变频器频率已达50hz(频率上限)时，继续升频至51hz，然后关断频率输出信号，延时一秒种，将该泵切换至工频运行，然后变频启动另一台空闲泵。
    ii. 当经滤波后仍有压力上限信号，且变频器频率降至至20hz(频率下限)时，切掉变频运行的循环水泵，并将另一台工频运行的循环水泵切换为变频运行。
这两条控制规则能够有效的抑制水泵切换时冷却水流量的突变，使之平滑过渡。切换过程结束后，pid调节器继续通过检测的真空压力信号，调节变频器的运行频率，控制冷却水的流量，使汽轮机凝汽器在设定真空值处稳定运行。
在程序中，plc会根据上述控制逻辑，设定各台水泵的运行状态字，形成操作字，灵活地实现运行水泵数量地增减切换。
    3) 逻辑控制模块
    逻辑控制块的作用是按照运算块形成的操作字，使plc输出控制指令，控制继电器、接触器等低压电气的闭合断开，从而实现对循环水泵切换、启停等控制功能。在程序中，将循环水泵的控制动作定义为4个基本的操作:工频→停止(10→00)、变频→停止(01→00)、变频→工频(01→10)、停止→变频(00→01)，电机的每一个控制动作都可以由这4个基本操作组成。plc根据这些状态字实现对循环水泵系统的控制。
    4) 热备模块
    热备控制模块能够在线监控各台循环水泵的运行时间，并且根据现场实际情况确定最佳切换时刻，以尽量减少真空度的波动为原则，实现循环水泵的轮流工作，平均承担供水任务，以延长电机寿命，防止水泵生锈导致电机堵转和电机绕组受潮。
    5) 故障处理及显示模块  
    故障处理模块能够实时检测设备的运行状况，及时处理各种运行故障，并显示报警。该模块程序能够不经运算及控制模块迅速处理诸如电机过热、进水温度过高等故障。此外还具有故障消除后自动复位等功能。

3.4 应用情况
    该系统已于1997年在山东海化集团热电公司汽轮机组中投入运，运行表明系统可将汽轮机真空度控制在设定真空值的0.25％范围内稳定运行， 性能稳定，节能效果显著，平均节电率为35%。
应用表明，循环水泵变频控制系统具有以下优点:
    1.  与节流调节方式相比，调速方式提高了真空度的控制精度，改善了汽轮机机组运行的经济性能。
    2.  适应主机调频的需要。定速泵已不能适应这大中型机组的启停和低负荷运行。调速给水泵的出口压力是可变的，因此能满足调频机组给水压力的需要。
    3.  提高机组的安全可靠性。当系统发生故障时，调速水泵可降低转速运行，降低给水压力和流量，在排除事故以后，机组即可重新启动参与运行。

4 结论
    本文通过分析汽轮机的经济运行方式，设计了一种汽轮机最有利真空控制系统。该系统能够根据最有利真空的计算值，通过控制循环水泵的运行台数和转速来调整循环水流量，使电机组汽轮机工作在最有利真空位置，实现经济运行的目的。其控制技术先进，精度高、稳定可靠。另外，本文给出了一种计算最有利真空值的简便方法。
    该系统对于改变目前大多数热电厂循环泵控制精度差、自动化程度低、能源浪费严重的状况，具有重要的现实意义。可广泛的应用于供水、供暖、油田等其他行业领域，将会产生巨大的经济效益，应用前景广阔。

参考文献
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